автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.05, диссертация на тему:Формообразование и структура изделий из двухфазных титановых сплавов при деформировании в режиме сверхпластичности

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандвда технических наук

Шарипов Олег Анатольевич

Повышение эффективности и обеспечение надежности резан инструментом из твердого сплава с износостойким покрытием

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура "Times" Объем I уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ № -(S3

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер.,

ЛП № 040072 от 29.08.91г. ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

/

ОБЯЗАТЕЛЬНЫЙ БЕСПЛАТНЫЙ ЭКЗЕМПЛЯР

ч

»а правах рукописи

СЧ I/ о

Караваева Марина Владимировна

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ И СТРУКТУРА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ В РЕЖИМЕ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

05.03.05. " Процессы и машинц обработки давлением"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 1997

Работа выполнена в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Барыкин И.П.

Научный консультант - кандидат технических наук Ермаченко Л.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шибаков В.Г.

кандидат технических наук Трифонов В.Г.

Ведущая организация: Акционерное общество "Уфимское моторостроительное производственное объединение" (г.Уфа)

Защита диссертации состоится "15" апреля 1997 г. в 14 часов па заседании диссертационного совета К 003.98.01 в Институте проблем сиерхпластичности металлов РАН.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 450001, г.Уфа, ул. Ст.Халтурина, 39, ИПСМ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института.

Автореферат разослан "_" марта 1997 г.

Ученый секретарь диссертационого совета,

кандидат технических наук М.В.Маркушев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного производства ребует разработки и использования экономичных ресурсосберегающих ехнологий, которые позволяют обеспечить заданный комплекс свойств атериала изделия. К числу таких технологий относится объемная тамповка с использованием эффекта сверхпластичности (СП), в том исле изготовление высоконагруженных изделий из двухфазных итановых сплавов. Применение этого метода обеспечивает, с одной тороны, значительное повышение ресурса пластичности материала и нижение усилий деформирования; с другой - получение однородной труктуры в объеме изделий. Однако, промышленное использование этой ехнологии требует детального изучения реологических свойств итановых сплавов и их зависимости от происходящих при деформации в емпературно- скоростном режиме СП структурных изменений; собенностей влияния механической схемы деформации на структуру, ехнологические и эксплуатационные свойства материала; анализа апряженно- деформированного (НДС) и структурного состояния при зготовлении изделий, что обуславливает актуальность данной работы.

Цель работы: Разработка эффективных технологических процессов [зготовления изделий с заданными свойствами из двухфазных титановых плавов на основе экспериментального и компьютерного моделирования [роцессов деформирования в температурно-скоростном режиме СП.

В работе решались следующие частные задачи:

1 . Экспериментальное исследование влияния механической схемы [еформации на морфологические изменения а-фазы двухфазных титановых :илавов.

2. Обоснование определяющего соотношения, включающего в явном иде морфологическую характеристику а-фазы.

3. Разработка математической модели процесса деформирования, озволяющей определять параметры и инварианты НДС, знсргосиловыс араметры процесса, а также оценивать изменение распределения в бъеме заготовки параметра поврежденности и морфологической арактеристики а-фазы.

4. Обоснование критериальной функции для постановки и решения птимизационных задач обработки металлов давлением (ОМД), ключающей наряду . с характеристиками точности изделий, нергоемкости и устойчивости процесса, показатели, влияющие на войства материала: скалярные параметры поврежденности и структуры.

5. Разработка технологических процессов изготовления изделии [на основе комплексного использования результатов натурных и

вычислительных экспериментов.

6. Экспериментальное исследование структуры и свойств материала изделий.

Научная новизна

- Экспериментально установлено, что при монотонной деформации в темпсратурно-скоростном режиме СИ величина накопленной деформации оказывает значительное влияние на морфологические характеристики

"сс-фазы: толщину пластин; эмпирическую функцию плотности распределения и среднее значение коэффициента формы; долю глобулярных частиц.■ Схемы главных напряжений и деформаций .'практически не влияют на характер изменения исследованных параметров структуры. Глобулярная структура при этом образуется при значениях накопленной деформации свыше 1. При сложном нагружении по исследованным траекториям с изломами на формирование глобулярной „структуры оказывает влияние как величина накопленной деформации, так и изменение механической схемы деформации во времени.

- На основе представления структуры сплава в виде механической 'смеси глобулярной и пластинчатой составляющих предложен вариант

определяющего соотношения, включающего в качестве структурного параметра величину объемной доли глобулярной структуры.

- Модернизирована математическая модель процесса деформирования, позволяющая определять компоненты и инварианты НДС, энергосиловые параметры процесса, а также оценивать изменения скалярного параметра поврежденности и объемной доли глобулярной структуры в объеме деформируемой заготовки.

- Предложена критериальная функция, используемая при постановке и решении оптимизационных задач ОМД и включающая контактное нормальное напряжение, интенсивность деформации приповерхностного слоя, а также показатели, влияющие на свойства материала: объемную долю глобулярной структуры и скалярный параметр поврежденности.

- Экспериментально определено критическое значение скалярного параметра поврежденности при растяжении в режиме СП.

Практическая значимость.

Настоящая работа является частью исследований. проводимых в соответствии с Комплексной программой фундаментальных исследований по проблемам машиностроения РАН, Долгосрочной программой

сотрудничества между'Россией и Республикой Индия в области науки и техники и Грантом РФФИ "Исследование корреляции между историей, нагруженин материала и изменением его структуры" (шифр 93-013-16766, 1993—1995 ГГ.).

На основе экспериментальных результатов разработаны способы обработки двухфазных титановых сплавов, позволяющие получить однородную глобулярную структуру и изотропные свойства в изделиях. Способы защищены патентами РФ.

Разработаны технологические процессы изготовления изделий: дисков диаметром 350-425 мм из сплава ВТ9; сложнопрофильных лопатск турбины из сплавов ВТЗ-1 и ВТ6; "колесо компрессора" из сплава ВТ1'.

Апробации работы. Материалы диссертации были представлены на 2 Европейском Симпозиуме но материалам и технологиям "Восток-Запад" (Май 1991), V Всесоюзной Конференции "Сверхпластичность' неорганических материалов" (Уфа, 1992), Л Европейской Конференции и выстав'ке материалов и процессов "Восток—Запад" (Ст—Петербург, 1993), Международной Конференции по сверхпластичности ICSAM'94'' (Москва, 1994), а Международной Конференции по Титану ( Лондон; 1995), 4 Международной Конференции по прочности и пластичности (Москва, 1996), Международной научно-технической конференции "Молодая наука - новому тысячелетию" (Набережные Челны, 1996), Международной Конференции по сверхпластичности ICSAM'97 (Индия,1 1997) .

Публикации По материалам диссертации опубликовано 14 печатных, работ, получено 2 патента РФ на изобретения.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводом, изложена на 175 машинописных страницах, содержит 57 рисунков, 14 таблиц, библиографический список из 160 наименований и приложение (акт внедрения).

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Во введении обосновывается актуальность темы формулируются цель и задачи работы, а также положения защиту.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор литературы начинается с анализа публикаций, посвященных исследованию влияния структуры двухфазных титановых сплавов на ■

диссертации, , выносимые на

свойства. Отмечается, что форма частиц а-фазы в значительной мере определяет механические свойства материала. Термомеханические условия обработки, прежде всего, пластической деформации, играют существенную роль в формировании структуры. Одним из основных недостатков поковок является неоднородность параметров НДС и связанные с этим разнозернистость и разброс свойств в объеме заготовки. Методом, повышающим однородность структуры, является сверхиластическая деформация (СПД). Эффект СП наблюдается при наличии глобулярной структуры в исходной заготовке, тогда как полуфабрикаты отличаются разнообразием структур.

В настоящее время значительное развитие ■ получилс математическое моделирование технологических процессов ОМД. При этом, одной из наиболее важных задач является обоснование критериальной функции для выбора оптимальных параметров технологического процесса, обеспечивающих максимальнук

производительность, получение высококачественной продукции, минимальные затраты. Одним из критериев является скалярный параметр поврежденности; структурные аспекты при формулировке критериальное функции не рассматриваются. Другой проблемой при решении задач ОИХ является выбор определяющего соотношения, адекватно описывающегс поведение материала в процессе деформации • и, следовательно, включающего структурные .параметры. В литературе предложен ря? соотношений, учитывающих влияние параметров структуры н; реологические поведение материала, прежде всего, размера зерен Однако, морфологические изменения а-фазы не учитываются.

На основе обзора и анализа литературы сформулированы цель I задачи диссертационной работы.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования проведены на жаропрочно» титановом сплаве ВТ9.

Высокотемпературные механические испытания при исследовани! влияния механической схемы деформации на морфологически! характеристики а-фазы проведены в изотермических условиях пр1 температуре Т=960 °С и скорости деформации 5= 10~3/с на машин« кинематического типа 1958-АК1, модернизированной для передач!

1 Механические испытания проведены в Институте механики МГУ М.В.Ломоносова под руководством д.ф.-м.н., профессора Васина P.A.

подвижному захвату как поступательного перемещения, так и крутящего момента; всесторонняя ковка - на гидравлическом прессе ЕУ100.

Металлографические исследования проведены на оптических микроскопах "Neophot—32", "Metaval" при увеличениях 100 - 500. Рассчитаны значения морфологических характеристик а-фазы: среднее значение и эмпирическая функция плотности распределения коэффициента формы частиц (отношение большего размера к меньшему). K«; доля глобулярных частиц (количество глобулярных частиц в общем числе), Нр, толщина пластин, d. За глобулярные приняты частицы с коэффициентом формы не более 2.

Для определения критической величины скалярного параметра повреждепности при растяжении, и, образцы диаметром рабочей части 10мм растянуты при Т=960 °С и £=10~3/с до разной величины накопленной деформации на универсальном динамометре "Inst-r-on". Затем образцы отожжены, проточены на диаметр 6 мм и растянуты до разрушения при комнатной температуре для определения механических свойств. Величина cj рассчитана как отношение накопленной деформации к предельной, соответствующей разрушению. Критическое значение <j определено по снижению относительного сужения и предела прочности.

Деформация изделий проведена на гидравлических прессах усилием 0.63 и 1,6 МН в индукционных нагревательных установках УИДИН-280 и УИШБ-500 в штампах из жаропрочного сплава ЖС6У. Изделия изготовлены из сплавов ВТЗ-1, ВТ6, ВГ8 и ВТ9. Свойства поковок определены в разных зонах и направлениях изделий по стандартным методикам.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ДЕФОРМАЦИИ НА МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ а-ФАЗЫ СПЛАВА ВТ9 Исследовано три механических схемы деформации: сжатие, кручение и растяжение. При всех исследованных схемах частицы а-фазы глобулярной микроструктуры сохраняли равноосную форму. Отмечен некоторый рост зерна.

Пластинчатая структура изменялась при всех схемах деформации: наблюдалось исчезновение приграничной а-фазы, укорочение пластин при росте их толщины. При увеличении накопленной деформации, е, происходило изменение значений всех исследованных характеристик морфологии а-фазы. Количественные значения параметров структуры, измеренные в образцах, деформированных на одну величину накопленной деформации при разных схемах, различаются несущественно. При увеличении е от 0 до 1.2, Ка снижается с 10.5 до 2.9, а NP

возрастает от О до 70 % соответственно. Наблюдали также рост толщины пластин, d, с 2 мкм в исходном состоянии до 4 мкм при е=0.4, при дальнейшем увеличении е рост d не отмечался.

По результатам количественного металлографического анализа построены графики зависимостей Ко и NP от е для разных схем деформации, анализ которых показал, что наибольшее влияние на йтруктурные параметры оказывает величина с. Графики изменения структурных параметров при этом можно разделить на два участка: при е<1.0 наблюдается резкое изменение Kct и Np, при е>1.0 отмечено замедление изменения.структурных параметров при сохранении тех же тенденций. При е=1.2 в сплаве формируется глобулярная структура. Влияния механической схемы деформации практически не наблюдалось.

Исследование влияния сложного нагружения на параметры структуры проведено по двум траекториям с изломами: растяжение с последующим циклическим кручением (плоская траектория) и многократная осадка с изменением направления приложения нагрузки (объемная траектория). При сложном нагружении изменения глобулярной и пластинчатой структуры идентичны тем, что происходят при простом нагружении. При значении интенсивности деформации е=0.4 при растяжении с последующим циклическим кручением средний коэффициент формы составил 3.1, а доля равноосных частиц- 48% соответственно. Форма кривой распределения Ка показывает более однородное распределение Км сплава при сложном нагружении, чем при простом.

4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ Математическое моделирование процесса реализовано в среде операционной системы MS DOS на ПЭВМ. Пакет программ позволял с использованием метода конечных элементов рассчитывать распределение параметров и инвариантов НДС в заготовке, в том числе интенсивности деформации сдвига, показателя вида напряженного состояния, скалярного параметра поврежденности и др..

Обоснованно определяющего соотношения Для описания реологического поведения сплава с исходной пластинчатой микроструктурой в процессе изотермической деформации материал рассмотрен в виде смеси глобулярной и пластинчатой составляющих. Объемное соотношение составляющих: VP: Vn. т.е. всегда выполняется:

vP + Vn=i, :гj

где Vp, Vn - объемная доля глобулярной и пластинчатой

составляющих, соответ'ственьо.

Предполагаем, что для составляющих смеси справедливо:

о- = А

р р

а = Л ■£

Шр

Шп

причем

где А , А , га р п г

напряжения течения

С =€ =?

с р П

, т , о- , сг , £ , Г - материальные

П Р П Р П

и скорости деформации сплава с

(2)

(3)

(4)

постоянные, полностью

глобулярной и пластинчатой структурой соответственно; £ - скорость деформации сплава со смешанной структурой.

Из (1) справедливо: сг -и »V -сг /,-■,

сррпп V

Л =4 -А -А (6)

сррпп

где сг - напряжение течения смеси данного состава.

с

После преобразований получим выражение для определения гп:

Лс

[V -А __Е__Е.

Шр

5 + (1-У )-А

Шп

1Е5

I—V -А + (1-У ) -А _______£__Е_____Е___2

(7)

Таким образом, реологическое поведение материала описывается^ уравнением (7), материальные постоянные которого зависят от объемной доли глобулярной структуры в соответствии с (8) и (9).

Для определения значения V по известному стереометрическому

р

соотношению для вычисления объемной доли фазы можно записать:

V =______= !£2И1!1Е. (8)

Р Кос • С П р + П п ) Кос

где V - объемная доля глобулярной структуры; Пр , Пп - доля глобулярных и пластинчатых частиц в структуре; К« - среднее значение коэффициента формы частиц а-фазы данного сочетания глобулярной и пластинчатой составляющих; К« - среднее значение коэффициента формы частиц а-фазы, характерное для глобулярной структуры.

По данным количественного металлографического анализа, приведенным в главе 3 в соответствии с формулой (8) рассчитано изменение значения в процессе деформации и построен график

"Ур-е". Зависимость нелинейна: на начальной стадии деформирования до е=1.0 Ур резко возрастает, затем рост замедляется. Для использования полученной зависимости с целью оценки структуры' введена аппроксимирующая функция, связывающая УР и е:

1+а • е

ч

где Ур - величина объемной доли глобулярной структуры в сплаве при накопленной деформации е; УР°- величина объемной доли глобулярной структуры в сплаве до деформации; е - текущее значение накопленной деформации; а, Ь коэффициенты, характеризующие

кинетику процесса преобразования пластинчатой структуры.

Значения коэффициентов для сплава ВТ9 в соответствии с представленными выше экспериментальными данными составили: а=0.97; Ъ=2.20; для сплава Тл.-6А1-4У по литературным данным ': а=0.65; Ь=2. 25.

Экспериментальная кривая нагружения при растяжении материала с исходной пластинчатой структурой и кривая, рассчитанная в соответствии с предложенной моделью, идентичны.

Оценка морфологических изменений а-фазы в объеме заготовки

Для оценки эволюции структурного состояния материала заготовки в процессе пластической деформации рассмотрена задача изотермической осесимметричной осадки цилиндрической заготовки. Технологический процесс описан рядом параметров, влияющих на структуру: геометрические размеры заготовки Но и Бо, мм; реологические постоянные элементов заготовки А(, т^, входящие в известное реологическое соотношение а= А-£т; относительная деформация по высоте заготовки, еь, %; скорость деформирования, v, мм/с:; коэффициент трения на поверхности контакта заготовки с инструментом Кг; - шаг сканирования процесса.

Реологическое поведение материала задается в соответствии с описанной выше моделью (5)—(7).

В процессе деформирования происходит постоянное изменение УР и, следовательно, реологических постоянных. В этой связи процесс деформирования разбивается на элементарные временные промежутки (ДЪ), в течение которых деформация считается монотонной, а значения материальных констант постоянными. После достижения

сь^(соответствующего заданному Д1), процесс останавливается и на основании расчета распределения е (ДЪ) в объеме заготовки, строится эпюра УР в соответствии с (9). Затем, в соответствии с (6) и (7) задаются новые значения А1, пи для следующего временного этапа деформации. Эта процедура продолжается до достижения:

Ееь «=сь (10)

1

Качественная проверка возможности использования алгоритма для оценки структуры проведена для сплава ВТ9 с исходной пластинчатой микроструктурой. Заданы следующие начальные условия: Но=40 мм:

0о=20мм; А=230 НПа; га=0,25; У,,°=0,005; еь=0,75; Р*=0.5; v=2.4 мм/с.

Численный эксперимент показал неоднородность распределения \/Р по объему заготовки: от УР ~ 0.75 в центральной зоне заготовки, до V = 0.15 в зонах, прилегающих к деформирующему инструменту. Сопоставление результатов численного и натурного экспериментов показало удовлетворительную сходимость.

Обоснование критериальной функции оптимизации

Технологический процесс с точки зрения его эффективности описывается набором характеристик И (г, г) (1<1<с, с - число характеристик). Значения функционально связаны с показателями качества, точности изделия, а также эпергосиловыми ' параметрами процесса. Характеристики И. зависят от параметров технологического процесса '¿^ . При выборе оптимальных значений параметров технологического процесса Ъ^ необходимо найти минимум критериальной функции зависящей от одной или нескольких характеристик ^ .

Критериальная функция g представлена в виде:

!=1 (11)

Е ч • 11

° 1=11 1

где - весовые коэффициенты характеристик, устанавливаемые па основе экспертных оценок.

Характеристики 11 находятся из решения соответствующей краевой задачи. В этом случае определение оптимальных значений Ъ( можно сформулировать как решение обратной задачи, однако корректная ее постановка и решение затруднительны. В этой связи оптимизационная задача решается перебором управляемых параметров 'Ь ( • с использованием метода множителей Лагранжа.

В данной работе рассмотрена следующая критериальная функция: -о- + ч. с + д -1/Ур + и -и (12)

1 п ¿. 1 3 4

где о- - относительное нормальное напряжение на поверхности контакта заготовки с деформирующим инструментом; е - интенсивность деформации приповерхностного слоя; Ур- объемная доля глобулярной структуры; и - скалярный пар'аметр повреждепности.

Определение критического значения скалярного ■параметра повремденности

В работе проведено исследование влияния скалярного параметра поврежденпости, и, при СПД на свойства: предел прочности, сг_, относительное сужение, ф, плотность, р. Исследование показало, что при достижении значения и=0.6 наблюдается изменение механических характеристик. Так, ф сплава с глобулярной микроструктурой

снижается с 54 % при и=0 до В % при ы=0.6, а- с 1102 МПа до 1055 МПа соответственно. Аналогично для сплава с исходной пластинчатой микроструктурой ф снижается с 20 % до 8 %, <г с 1050 МПа до 890 МПа. Наблюдалось также снижение плотности на величину Ар=0,015г/см3. При увеличении степени деформации при сжатии исследованные характеристики материала не снижались. На основании проведенных исследований введено ограничение значения скалярного параметра поврежденности при деформировании в

температурно-скоростном режиме СП: Ык=0.6 при к=ст/Т>0 (к -показатель вида напряженного состояния).

По результатам экспериментальных исследований, представленных

выше, в работе приняты следующие значения весовых коэффициентов в

критериальной функции (13):

q =0.5; q -О; я =0.5; ч =0 (13)

' 'г мз 1

т.е. минимизируются значения а и 1/Ур, а на значение

п

характеристики ы накладывается лишь ограничение и<0.б для К=сг/'Г>0.

Анализ результатов вычислительных экспериментов

При указанных выше начальных условиях осуществлен выбор параметров технологического процесса осадки, обеспечивающих как снижение усилий деформирования, так и заданные свойства. Для расчета поврежденности задано значение поперечного сужении при испытаниях на растяжение р=0.6.

Скалярный параметр поврежденности рассчитан из соотношения:

и г п , а! -1 ч

ы= Е £ -------ЛА .¿и,

1 = 1 [1=1 (. Аа1 I J (14)

где N - число переходов деформации: п - число этапов деформации, в пределах которых деформация несущественно отличается от монотонной: А - степень деформации сдвига; Ар - предельная пластичность; - залечивание поврежденности при термообработке:

а - параметр, характеризующий интенсивность роста поврежденности.

Диаграмма пластичности задана в виде:

А,.-2/3 1п- ( )с -1 '2к (15)

где ч> - поперечное сужение при испытаниях на одноосное растяжение, к=о-/Т - показатель вида напряженного состояния.

Проведение вычислительных экспериментов показало, что при снижении коэффициента трения повышается однородность распределения УР и снижаются значения и в осевом сечении заготовки, а также нормальные напряжения. При увеличении соотношения размеров исходной заготовки увеличивается размер зоны с глобулярной структурой,

однако, происходит увеличение и. В результате экспериментов получены следующие значения технологических параметров: 1''х=0.1, Но/0о=2.?., которые обеспечили наиболее высокие значения в объеме заготовки и низкие значения а . Значения повреждешюсти в зоне

п

растягивающих напряжений при этом не превышают критические.

5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ Полученные экспериментальные и теоретические результаты янились основой для разработки технологических процессом изготовления изделий. При проектировании новой технологии с использованием СПД применяли следующий порядок работы: выбор схемы подготовки глобулярной структуры с использованием предварительных вычислительных экспериментов; экспериментальное опробование схемы; проектирование заготовки и штамповой оснастки с использованием САПР, и их изготовление; опытная штамповка; контроль структуры и свойств опытных изделий.

На основании проведенных исследований разработан типовой технологический процесс изготовления изделий из двухфазных титановых сплавов. В общем случае процесс должен включать следующие операции: заготовительные - контроль исходного полуфабриката и изготовление мерных заготовок; подготовительные - подготовка структуры; формообразующие - СПД изделий сложной формы с предварительным формообразованием или без него: вспомогательные обрезка облоя; заключительные - термическая обработка; контрольные - контроль формы, структуры и свойств готового изделия.

Типовой процесс изготовления сложнопрофильных деталей применен при разработке" технологических процессов изготовления изделий "лопатка турбины", "колесо компрессора", "0-2" и крупногабаритных дисков простой формы диаметром 350-425 мм. Отработку технологии и изготовление опытных изделии проводили на опытном участке, включающем электронагревательную печь КЭ - 60С (1300). гидравлические прессы усилием 0.63 и 1.6 МП, штамповые блохи из сплава ЖС6У, индукционные нагревательные установки УИДИК-280 и /ИШБ-500. термостат для регламентированного охлаждения поковок.

' 'ячоаОотка

■ . V . н с: !! с

технологических процессор проведена пои оуковоцством £>м:-\ченко А.1'.

Проведение экспериментов показало, что для изделий типа "лопатка турбины" возможно совмещение операций подготовки структуры и формообразования. На основании экспериментов за два перехода изготовлены лопатки из сплава ВТЗ-1 без предварительной подготовки структуры из полуфабрикатов с глобулярной, пластинчатой и литой структурой. Результаты механических испытаний. приведенные в .таблице 1, показали, что свойства лопаток имеют высокий уровень и отличаются более высокой изотропностью и незначительным разбросом по сравнению с лопатками, полученными традиционной штамповкой на КГИ1П. На способ изготовления лопаток из литых заготовок получен патент РФ.

Таблица 1.

Механические свойства лопаток из сплава ВТЗ-1, полученных СПД

структура исходной заготовка и место контроля свойств св,МПа 5, % ч>, % кси, Дж/смг

глобулярная (перо) 1145-1170 14-16 54-57 49-52

глобулярная(хвостовик) 1175-1200 17-19 52-56 54-56

пластинчатая(хвостовик) 1160-1200 17-19 39-42 39-42

литая (хвостовик) 1185-1197 12-15 38-41 56-60

Результаты экспериментов, представленные в главе 3, показали, что при монотонной деформации происходит трансформация пластинчатой структуры в глобулярную. Однако, структура поковки при осадке характеризуется неоднородностью. Кроме того, геометрия изделия ограничивает возможные степени деформации в технологическом процессе.

С использованием сочетания предварительных вычислительных экспериментов и ■ результатов исследования влияния сложного нагружения на морфологические характеристики а-фазы разработан способ получения однородной глобулярной ■ структуры в крупногабаритных цилиндрических заготовках. Способ основан на сочетании операций осадки и протяжки и реализуется в изотермических условиях, что позволяет получать большие высотные деформации за один переход - до 70 %. Благодаря этому во всем объеме заготовок весом от 10 до 40 кг за 3 - 5 переходов обеспечивается формирование глобулярной структуры, что подтвердилось при проведении натурных экспериментов. На способ нолучен патент РФ. Разработанная схема

сложного нагружения использована для подготовки структуры при изготовлении деталей сложной конфигурации "колесо компрессора" из сплава ВТ8, "D" из сплава ВТ6 и дисков из сплава ВТ9.

Получение регламентированных свойств в изделиях

На основе анализа литературных данных и результатов собственных исследований изготовление изделий с регламентированными свойствами проведено по технологической схеме, включающей три этапа: 1) подготовку глобулярной структуры деформацией в температурно-скоростном режиме СП; 2) формообразование методом СПД; 3) термическую обработку для обеспечения регламентированного уровня свойств.

Лопатки турбины из сплава ВТ6 изготовлены при совмещении операций подготовки структуры и формообразования. Для получения регламентированного уровня предела прочности. лопатки

термообработаны но трем режимам. Получено три уровня прочности: 970 МПа, 1060 МПа, 1112 МПа при обеспечении удовлетворительной пластичности. При этом изотропия и однородность своййтв сохранились.

Диски диаметром от 350 до 425 мм изготовили с одного нагрева по разработанной схеме сложного нагружения. Для обеспечения регламентированного уровня свойств в дисках термической обработкой получили три типа микроструктуры: пластинчатую с размером (З-превращенного зерна 150 мкм, бимодальную с объемной долей глобулярной а-фазы 40% и размером 7-9' мкм и глобулярную с размером а-зерна 5—7 мкм. Результаты определения механических свойств дисков с различным типом структуры представлены в таблице 2.

Таблица 2

Регламентированные свойства дисков диаметром 350 мм (ВТ9)

структура (г -1 МПа К 1с МПа/мм soo сг , 1 оо МПа 500 С 0.2/100 МПа <т , в' МИа 5, % кси, Дж/см2

глобулярная . 600 87 560 330 1100 15 44

бимодальная 520 120 600 375 1Й90 17 4S

пластинчатая 450 102 630 380 910 13 55

Свойства характеризуются незначительным разбросом и высокой изотропией. Использование термической обработки позволило в широких пределах варьировать сочетание механических . характеристик в зависимости от назначения изделия.

Использование технологии на основе С11Д позволяет снизить металлоемкость в 2-2.5 раза и трудоемкость механической обработки на 25-50 %. Кроме того, разработанные технологии обеспечивают гарантированное получение заданных свойств в изделиях сложной конфигурации с резкими перепадами по сечению и крупногабаритных изделиях за счет формирования однородной структуры.

ВЫВОДЫ

В работе на примере двухфазных титановых сплавов проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований по обоснованию термомеханических условий обработки при изготовлении изделий с заданными свойствами:

1. Экспериментально показано, что величина накопленной деформации при простом нагружении определяет степень изменения морфологических характеристик а-фазы: толщины пластин, среднего значения коэффициента формы частиц, доли глобулярных частиц. Схемы главных деформаций и напряжений при этом практически не влияют на характер изменения структуры. При значениях накопленной деформации свыше 1 образуется глобулярная структура.

2. Экспериментально показано, что при сложном нагружении, включающем последовательность различных механических схем деформации, на процесс формирования глобулярной структуры оказывает влияние как величина накопленной деформации, так и изменение

ч>

механической схемы деформации во времени. Так, при деформировании по схеме растяжения с последующим циклическим кручением, глобулярная структура формируется при значении интенсивности деформации 0.4.

3. На основе представления структуры как механической смеси глобулярной и пластинчатой составляющих, предложен вариант определяющего соотношения, включающего в качестве структурного параметра величину объемной доли глобулярной структуры. Разработана методика определения значений материальных постоянных в зависимости от величины объемной доли глобулярной структуры.

4. Модернизирована математическая модель процесса осадки для решения осесимметричных и плоских задач. Модель позволяет определять компоненты тензоров и инварианты напряженно-деформированного состояния, энергосиловые параметры процесса, а также оценивать распределение в объеме деформируемой заготовки значений скалярного параметра поврежденности и объемной доли

глобулярной структуры.

5. Обоснована критериальная функция для постановки и решения оптимизационных задач обработки металлов давлением. зключающая наряду с энергосиловыми параметрами процесса, также характеристики состояния материала: скалярный параметр поврежденноети и объемную долю глобулярной структуры.

6. Экспериментально определено критическое значение скалярного параметра поврежденности при растяжении (сл<=0.6). При значениях поврежденности, выше критического. происходит снижение свойств материала: относительного сужении на 65-80 %. предела прочности -на 5-25 %. плотности - на- 0.3 ,%. Показано. что при увеличении величины накопленной деформации при осадке в интервале 50 - 35 % снижение исследованных свойств не происходит.

7. Разработан способ получения однородной глобулярной структуры в крупногабаритных заготовках. Способ сочетает операции осадки и протяжки за 2 - 4 перехода и реализуется в изотермических условиях за счет получения больших значений относительной высотной деформации за один переход - до 70%. На способ получен патент РФ 1759948. Способ использован при изготовлении изделий сложной конфигурации "колесо компрессора" из сплава ВТ8 и "О" из сплава ВТ6.

8. Предложена трехстадийная схема технологических процессов, включающая подготовку однородной глобулярной структуры в заготовке деформацией в температурно-скоростном режиме СИ, формообразование методом СПД и термическую обработку для получения заданных свойств. Показана возможность совмещения операций подготовки структуры и формообразования для изделий типа лопаток турбины. На способ изготовления лопаток из литых заготовок без подготовки структуры получен патент РФ 2019359.

9. На основании проведенных исследовании разработаны у. внедрены на предприятиях АО "Уральский турбомоторный завод-. Тюмеиьское авиационное производственое объединение. Оборонная металлургическая исследовательская лаборатория (Индия) технологические процессы изготовления изделий: "Лопатка турбины'" четырех наименований, "Колесо компрессора". "Диск".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ермаченко Л.Г., Павлова Е.И., Караваева М.В. Оптимизация

режимов изотермической деформации лопаток из сплава

ВТ9//Авиационная промышленность.- 1990, N 5.- с.5-8.

2. Ermachenko A.G., Kaibyshev О.А., Karavaeva M.V. The Influence of Superplastlc Deformation on the Formation of Structures with a High Level of Homogeniety and Anisotropy of Mechanical Properties in Parts out of High Temperature Titanium Alloys// Mat.Tech.91. Abstr. The 2nd European East-West Symp. of Mat. and Process. 1991,- p.137.

3. Ермаченко А.Г., Караваева M.B. Влияние сверхпластической деформации на формирование однородной структуры и изотропность свойств в изделиях из титановых сплавов ВТЗ-1, ВТ6, ВТ9// Сверхпластичность неорганических материалов. Тез.докл.5 Всес. Конф.-Уфа. 1992.- с. 54.

4. Ермаченко А.Г., Зарипов А.А., Караваева М.В., Семаков М.А. Разработка прецизионной технологии получения турбинных лопаток из сплава ВТ6 с использованием режимов СПД// Сверхпластичность неорганических материалов. Тез.докл.5 Всес. Конф,- Уфа. 1992. -с.103.

5. Ермаченко А.Г., Зарипов А.А., Караваева М.В., Семаков М.А. Точная штамповка лопаток газотурбинных установок из конструкционного титанового сплава ВТ6 в режиме сверхпластичности// Кузнечно-штамповочное производство. 1994.- N1,- с. 3-6.

6. Барыкин Н.П., Васин Р.А., Ермаченко А.Г., Караваева М.В., Сабиров P.P. Математическое моделирование технологического обеспечения ресурса изделий, получаемых деформированием в условиях сверхпластичности// Кузнечно-штамповочное производство. 1994. N4.-с. 18-21.

7. Barykin N.P., Ermachenko A.G., Karavaeva M.V., Sabirov R.R., Vasin R.A. About Mathematical Modelling of Technological Ensuring of Service Life of Articles Produced by Deforming under Conditions of Superplasticity// Superplasticity in Advanced Materials. Proc. Int.Conf. Moscow 1994,- pp. 595-600.

8. Барыкин Н.П., Ермаченко А.Г., Караваева M.B. Технологические аспекты обеспечения ресурса поковок из титановых сплавов// "Молодая наука - новому тысячелетию". Тез. докл. Междунар. научно-техи. конф. Часть 1. КамПИ 1996. -с.93-94.

9. Ermachenko A.G., Karavaeva M.V., Zaripov A.A. Production of Uniquely-Shaped Precision Forging with Specified Structure out of Titanium Alloys// Titaniun'95: Sci. and Technol. Proc.8 Int.Conf.

London 1995. -p.848-855.

10. О корреляции истории нагружения материала и эволюции его структуры в режиме сверхпластичности. Быля О.И., Васин Р.А., Ермаченко А.Г., Караваева Н.В., Муравлев А.В., Чистяков П.В. // Прочность и пластичность. Труды 9 Междунар. Конф. Москва. 1996. -т. 2.- с. 33-38.

11. А.G.Ermachenko, М.V.Karavayeva. High-Temperature Precision Forming of Titanium Blades// Journal of Materials Engineering and Performance, v.5(5). October 1996,- pp.589-592.

12. O.I.Bylja, R.R.Vasin. A.G.Ermachenko. M.V.Karavaeva, A.V .Muravlev, P.V.Chyatjakov. The Influence of Simple and Complex Loading on Structure Changes in Two-Phase Titanium Alloy.// Scripta Metallurgica et Materiala. V. 35 (in press).

13. Ermachenko A.G., Vasin R.R., Karavayeva M.V. The Influence of Superplastic Strain History on the Structure of Tiro-Phase Titanium Alloys. The Correlation of Structure and Properties.// Supcrplasticity in Advanced Materials. Abstr Int. Conf. (Bangalor India, 1997) -p6-16.

14. Патент РФ Ц 1759948. Способ обработки двухфазных титановых

сплавов./ Ермаченко А.Г., Караваева М.В./ Опубл. 07 09 92 Бюл

N33. '

15. Патент РФ N 2019359. Способ изготовления лопаток из титановых сплавов./ Ермаченко А.Г., Караваева МВ/ Опубл 15.09.94. Бюл. N 17.

i

Отпечатано ГП «ПРИНТ» Пр. Октября, 71 Лицензия Б 848047 Заказ № 28 Тираж 100 экз. 1997 год